“环境催化原理及应用”课程教学改革

2022-09-21 16:41:39 来源:写作指导

[摘要]为了深化学术型硕士教育体系改革,将多媒体技术和翻转课堂,有机地融入到了《环境催化原理及应用》的课堂教学过程中,以课程的教学现状为基础,以多媒体技术和翻转课堂的特点为手段,对课程教学内容和教学模式进行了重新设计。从学生课堂表现和教学效果可以看出,提高了学生的学习积极性和学习效果。

[关键词]环境催化原理及应用;多媒体技术,翻转课堂;教学模式;教学改革

随着社会发展和科学技术的不断进步,为了满足环境治理和环境修复领域的专业人才需求,需要不断提高环境专业研究生的综合素质,也要求改变以教师为主导的传统教学模式[1-2]。《环境催化原理及应用》课程是工业催化方向研究生开设的一门重要课程,课程以环境和催化的关系为起点,以环境修复和环境保护为目的,紧密联系环境污染治理方面新应用和新发展,详细地阐述了环境催化的原理、特点和方法。通过该课程的学习旨在让研究生掌握环境催化过程中的基本原理和应用技术,为今后从事环境修复和治理方面的工作打下坚实的理论和应用基础。本文分析了《环境催化原理及应用》课程教学中存在的问题,讨论了多媒体技术和翻转课堂在课堂教学上的应用特点,借助多媒体技术和翻转课堂的部分观点,以及研究讨论式和互动式教学模式的优点,并应用于《环境催化原理及应用》的课程教学。强调了理论知识培养与实际应用训练在研究型人才培养体系中的核心地位。

1《环境催化原理及应用》课程教学的现状

1.1经典的教材内容与快速的学科发展之间的矛盾

课程使用的《环境催化原理及应用》教材出版于2008年,教材中的内容非常全面而且系统地反映了当时的学科发展。然而,随着科学工作者的不断探索和科学技术水平快速发展,环境催化的技术、原理以及应用都有了长足的进步。而且,环境治理过程的环境污染物控制的热点不断转换,新概念、新政策不断出现,教材更新迟滞不利于研究生掌握了解最新的理论及应用技术。如:“双碳”的概念,指的就是碳达峰(peakcarbondioxideemissions)与碳中和(carbonneutrality)。碳达峰就是让二氧化碳排放量“收支相抵”,是指碳排放进入平台期后,进入平稳下降阶段。碳中和是指实现二氧化碳的“零排放”,即要求集体或个人通过植树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放。又如,2020年9月,中国政府在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”同时,2021年3月国务院制定了2030年前碳排放达峰行动方案,要求优化产业结构和能源结构,扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。进而要求汽车尾气处理技术的更新换代。目前控制汽车尾气排量的主要技术措施有机前处理、机内处理和机后处理。机前处理可以通过添加剂减少杂质成分提高燃油品质,机内技术可以是改良发动机、提高燃烧效率,但是在国VI标准面前,这二步措施难以满足要求,需要尾气的后催化处理来达到要求。无论是机前、机内和机后处理工艺都在不断的发展,新技术、新材料科学探索均在快速发展,这些发展需要在课堂上加以体现。

1.2重复教学内容取舍与学生知识结构基础之间的矛盾

依据专业的整体要求和学科发展的需要,《环境催化原理与应用》课程主要介绍环境催化基础及其研究方法、移动源和固定源燃烧排放的催化净化、挥发性有机物的催化燃烧、室内空气催化净化、水处理过程中的催化净化、温室气体和臭氧层消耗物质的转化、大气层中的环境催化过程等。上述内容,在课程的教学安排上,出现了部分理论知识体系重复出现的现象,例如,教学内容中,材料的制备和表征部分内容,在《纳米材料的制备和表征方法》中已经讲过。气态污染物的净化技术内容与《大气污染控制工程》中的部分内容重复;水处理过程中的催化净化中的芬顿高级氧化与《水污染控制工程》中的内容也有交叉。但是,这些重复的内容如何取舍,还要根据学生的本科基础来确定,不同专业的本科生学习过的基础课和专业课是不同的、侧重点也是不同的,因此,要具体情况具体分析,可能每一届或者同一届不同班级都有差别。

1.3讲述内容多和教学学时短之间的矛盾

结合我们学院工业催化学术型硕士研究方向,选用了由科学出版社的、贺泓主编的《环境催化原理及应用》。教材有九章内容,涉及到基础化学反应原理、仪器设备的原理和应用、以及大气、水污染控制工程等多学科知识。如第7章水处理过程中的多相催化,内容就包括:(1)概述;(2)光催化水处理技术;(3)二氧化钛光催化技术在水处理方面的应用(多相光催化与生物氧化工艺组合处理有机物废水,多相光催化消除水中病原微生物的研究,二氧化钛光催化剂的固定化,多相光催化技术的未来发展方向);(4)绿色催化新工艺-芬顿技术的发展及应用;(5)臭氧催化氧化水处理技术;(6)湿式催化氧化技术;(7)双金属催化剂催化去除水中硝酸盐;(8)废水处理工艺中多种处理技术的综合运用等内容。具有基础知识多、反应原理多、理论问题多等特点,正常情况下需要64学时完成教学。实际上,研究生阶段课程学时普遍较少,要求在32学时完成教学内容有困难。

1.4课程理论教学与专业实践环节之间的矛盾

研究生课程教学过程中,普遍存在着缺少专业实践教学环节,沿袭了偏重理论教学的特点。而且,由于学校的历史规划、学院的学科发展,导致了学院部分实验设备不能及时更新,这在一定程度上制约了科研教学实践,阻碍了研究生理论知识与解决实际问题相结合的能力。因此,需要加强《环境催化原理及应用》课程的教学实践环节。

2教学方式和教学模式的改革初探

2.1网络技术和多媒体技术的应用

《环境催化原理及应用》的理论知识点多,描述性语言多,逻辑性强相对比较枯燥。多媒体和网络技术可以通过图文并茂的形式,将过程和工艺流程图简单直观的展示给学生。例如,反应物分子在催化剂表面的吸附、扩散、反应以及脱附过程,孔洞型催化剂对反应物分子的择形催化等内容,借助多媒体教学手段就可以让学生直接理解反应物分子与催化剂的相互用关系。也就是说,可以化语言为图片,化抽象为直观,化思考为感知。即缩短了描述和讲述时间,又简单明了便于理解。这不仅可以大大缩短课堂教学时间,还可以促进学生对实际的工艺流程生产过程的认知。另外,还可以通过课程网站,布置作业、在线答疑、检查学习进度等;还可通过专题互动讨论的形式,掌握学生对不同章节的学习情况。

2.2借鉴翻转课堂改革教学模式

早在1996年,美国迈阿密大学二位学者格兰•波兰特和莫里•拉吉将“翻转课堂”教学方式应用于大学课堂,在2007年亚伦•萨姆斯和乔纳森•伯格曼将“翻转课堂”推进了美国林地公园的高中课堂,目前,这种教学方式已发展为高等教育课堂教学改革中的前沿热点。源于美国的翻转课堂于2012年被引入到我国[3]。然而,随着新媒体技术的不断发展、教学实践的不断深入,这一教学形式出现了一些必须改进的问题。如,翻转课堂需要学生事先利用互联网等媒介学习课堂教学内容,随后,进入课堂进行答疑解惑,和教师通过互动交流等方式实现知识的传授[4]。这一过程要求学生认真学习教师提供的教学资料,对学生自主性和自控性的要求很高。虽然,中学生、大学生的自控能力增强,但是在缺少约束力的情况下,学习效果不理想。所以,没有很好的监督机制很难获得预期的学习效果。我们借鉴了翻转课堂的课前学习部分。第一,学期初在课程网站上,教师章节教学内容以及学生对相应的章节了解程度的调查问卷;第二,教师收集调查问卷并分析,掌握学生对章节的学习情况;第三,教师依据学生对课程的掌握情况,重构《环境催化原理及应用》的讲述章节内容。根据调查结果,将全书内容区分为,重点详细讲述的章节内容,课堂讲述和讨论并重的章节内容,以及研究讨论式教学章节内容。同时确定不同教学章节的不同讲述模式。

2.3研究讨论式课堂教学模式的运用

研究讨论式互动教学已成为高校教学模式改革的一个趋势,围绕着解决问题这一中心,要求以“研究讨论”为主,通过预先设置的问题,让学生主动查找相关资料,论证研究并分析解决问题。通过师生讨论,互问互答、增进师生交流、促进教学相长,进而推动学生在运用知识的过程中深刻理解知识,提高学生综合素质。具体的在理论讲解课程之外,基于课前的调查结果设置了讨论课。如部分章节后面设置了讨论小组,题目是学生有一定了解的课本内容的延伸。我们设置了如下问题:(1)汽车尾气的实用技术及其特点;(2)举例说明柴油车尾气处理技术。(3)雾霾的成因和治理方法;(4)你所知道的室内空气催化净化方法;(5)水体富氧化的形成和影响;(6)全球性大气污染问题趋势与对策。学生依据这些问题,积极查找资料,汇总资料、小组讨论取舍、制作PPT讲述课件。教师可以督促指导学生学习和使用网络学术搜索工具、图书馆提供的期刊论文数据库资源,尽可能全面地收集所需要的相关学术资料。分类、甄选和处理这些资料,讨论并制作多媒体课件。然后,小组的每个学生都讲述一遍PPT课件,其他同学负责指出他的优点和不足。上课时选派一名学生上台讲述,同小组的学生可以一起参与课堂讨论和回答问题。在研讨课上,在老师的引领下,学生和教师自由提问,小组学生给出回答。讨论结束后,学生对每个PPT课件与所设定主题的课题相关性、内容丰富性、内在逻辑性、回答准确性、讲述流畅性以及小组成员表现等几个方面,都会有一个比较清晰的认识,这是听课很难达到的效果。最后,任课教师做总结性评论,即在一个专题讲述和讨论之后,教师对这一专题的内容补充评述,指出学生应当加强的地方和需要扩展知识的地方,以及这一专题问题的未来发展方向。当然,研究讨论式教学模式还在逐步地发展和完善阶段,其中的资料查阅、讨论研究、课件制作都需要小组内每个同学切实履行并积极参加,如何激发成员的积极性,还需要我们在课堂教学中不断地探索。实际上,要求教师重构环境催化原理及应用教学内容。针对课前调查的结果,重构《环境催化原理及应用》的讲述重点。这要求教师做到以下二点:其一,扬弃教学内容,梳理教学重点。将《环境催化原理及应用》中,学生已经掌握或者学习过的内容进行适当地取舍。整合后的教学内容应当包括教学进度、教学课件、教学视频资料以及教学目标。通过查阅国内外最新的学术探索、理论研究和实际工艺应用进展,在大量文献、科学研究的基础上,注重内涵与外延的结合,系统性的总结现阶段相关领域的最新文献及应用技术,联系教学内容和科学实践案例,形成有新的教学体系和教学教案。解决教材内容相对固定与学科研究迅速发展之间的矛盾。其二,对于学生有一定程度掌握和了解教学内容,采取讨论式教学形式。授课方式由教师集中传授转变为章节讨论式教学,即讲授式的传统教学方法转换成了师生互动讨论模式。可以采用问答提问的方式,了解学生对相应知识点的掌握情况,在问答互动中推进知识点教学。也可以发展为导向式的小组讨论形式,即抛出一个知识点问题,让学生在不同方向上思考回答,促进学生讨论、培养学生的发散性思维[5]。即以师生互动作为重要手段,以学生需要熟悉和阐述清楚的概念理论为主线,引导和推进课堂教学,进而取得一个最佳的教学效果。这样就避免了学生熟悉的内容重复讲述、不熟悉的内容不能重点讲述的问题,科学合理地利用了课堂时间,极大地提高了课堂效率。

3结论

综上所述,《环境催化原理及应用》课程教学内容的调整和教学模式的改革,符合培养研究型人才的“开放性、发散性、自主性”基本原则,有利于减少教师的重复性劳动,有利于激发学生的主观能动性和课堂参与度。在课程建设的过程中,确立了教学内容和教学体系,适当变革了传统教学模式,将抽象理论具象化,加深了学生对理论知识的理解,展示了环境催化的魅力。让学生感受到理论知识与科研工程实践之间的紧密联系,培养了学生们对环境催化的兴趣和创新能力,教学效果显著提升。为培养应用技术型人才,为帮助学生们更好的工作和学习打好基础。

作者:孙彦刚 单位:上海工程技术大学 化学化工学院